一种具有多种运动模式的两轮机器人的制作方法

本实用新型涉及一种机器人技术领域，尤其是一种具有多种运动模式的两轮机器人。

背景技术：

随着经济的快速发展，机器人广泛应用于各个领域，特别是前、后排布的两轮机器人，由于其主体狭长，动作灵活，该两轮机器人广泛应用在狭窄路面上高速行驶，并能适应复杂路况，特别是在地势起伏波动较大的路况下行驶。但是上述两轮机器人在运动时，有向其前进方向的左、右两侧倾斜的趋势，因此，两轮机器人需要自平衡。

目前的自平衡技术包括前轮转向法、重心调整法及反作用力矩法。前轮转向法中机器人仅依靠自身结构就可以实现平衡，但必须依靠地面与机器人轮子的相互作用，受地形和机器人速度影响较大。重心调整法中自平衡设备结构简单、容易控制，但因需要进行质量块的位置调整，机器人响应较慢。反作用力矩法中自平衡设备结构较为简单、反应速度快，但机器人不能承受较大的冲击。

目前，常见的轮式交通工具和移动平台，如摩托车、两轮机器人、三轮车、汽车等，不具备原地自转或任意方向平移的能力。如摩托车、三轮车和汽车都不具备这两种能力。两轮机器人通过两轮以不同的方向转动实现原地自转，但不能沿任意方向平移。基于上述原因，一般的轮式交通工具和移动平台的运动灵活性受到一定的限制。

另外，常见的轮式交通工具和移动平台不能根据实际需要结合辅助轮来设置轮子的位置和数量，单一的设计不能满足不同领域的移动需求。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种具有多种运动模式的两轮机器人。

本实用新型的技术方案为：一种具有多种运动模式的两轮机器人，包括支撑板、以及设置在支撑板上的两个行进机构、两个转向机构、两个平衡机构、传动机构，两个所述的行进机构、以及转向机构对称设置在支撑板的左右两端，其中，两个所述的转向机构分别与两个行进机构传动连接，从而控制行进机构实现转向动作，两个所述的平衡机构与传动机构设置在支撑板中央位置，且位于传动机构的左右两侧，并且所述的传动机构分别与两个所述的平衡机构传动连接，从而通过传动机构驱动两所述的平衡机构以相反的方向旋转，从而实现机器人的动态平衡。

进一步的，所述的转向机构包括连接板、转向电机、车叉转轴、转向齿轮a、转向齿轮b，所述的连接板设置在支撑板上，所述的转向电机设置在连接板上，所述转向电机的电机轴上设置有转向齿轮a，所述的转向齿轮a与设置在车叉转轴上的转向齿轮b传动连接，所述的车叉转轴通过车叉轴承座设置在连接板上，所述车叉转轴的下端向下延伸并与行进机构固定连接；通过转向电机驱动转向齿轮a旋转，从而驱动转向齿轮b带动车叉转轴转动，从而控制行进机构实现转向动作。

进一步的，所述的行进机构包括车叉、车轮、导电滑环、轮毂电机，所述的车叉与车叉转轴固定连接，所述车叉下端设置有可相对车叉转动的车轮，所述车轮内置有轮毂电机，所述的轮毂电机与设置在连接板上的导电滑环电连接，从而通过轮毂电机驱动车轮转动。

所述的传动机构包括偏转电机、偏转电机固定架、联轴器、带轮转轴a、固定座a，所述的偏转电机通过偏转电机固定架安装在固定座a上，所述的偏转电机通过联轴器与带轮转轴 a的一端传动连接，所述带轮转轴a的另一端穿过固定座a，并通过带轮轴承a设置在固定座 b上，所述的带轮转轴a上还设置有同步带轮a。

两所述的平衡机构设置在传动机构的两侧，并与传动机构传动连接，所述的平衡机构包括保护罩、飞轮、旋转电机、旋转电机安装架，所述保护罩的内部设置有一用于容纳飞轮的容置腔，所述的旋转电机通过旋转电机安装架设置在保护罩上端，并与放置于保护罩的容置腔内的飞轮传动连接，从而通过旋转电机驱动飞轮在保护罩内旋转，

其中一平衡机构的保护罩外侧壁上还对称设置有带轮转轴b、偏转轴a，所述的带轮转轴 b的另一端通过固定座c设置在支撑板上，所述的带轮转轴b上设置有同步带轮b，所述的同步带轮b通过同步带与同步带轮a传动连接，所述的偏转轴a的另一端与设置在固定座d上的偏转角度传感器b连接，从而通过偏转角度传感器b实时检测飞轮的偏转角度；

另一平衡机构的保护罩外侧壁上还对称有齿轮轴、偏转轴b，所述的齿轮轴的另一端设置在固定座a上，所述的齿轮轴上设置有齿轮a，所述的齿轮a与设置在带轮转轴c上的齿轮 b齿合，所述的带轮转轴c的两端分别与固定座a和固定座b连接，所述的带轮转轴c上还设置有同步带轮c，所述的同步带轮c通过同步带与同步带轮a传动连接，所述的偏转轴b的另一端通过固定座e设置在支撑板上；

通过旋转电机驱动飞轮高速旋转，且两飞轮的旋转方向相反时，偏转电机通过同步带驱动平衡机构以相反的方向绕偏转轴a和偏转轴b以特定的角速度偏转，通过陀螺效应从而产生平衡力矩，从而实现双轮机器人的动态平衡。

进一步的，所述的导电滑环包括内环和外环，所述的内环和外环电连接，并且所述的外环固定，内环可在外环内旋转；

进一步的，所述的车轮与车叉之间还设置有减震器。

进一步的，所述的转向电机上端还设置有用于检测检测车轮的转向角度的偏转角度传感器a，所述的偏转角度传感器a与转向电机电连接。

进一步的，所述的支撑板上还设置有用于检测所述支撑板倾斜角度、倾斜角速度的姿态传感器。

进一步的，所述的支撑板上还设置有用于检测车轮转速的角速度传感器，所述的角速度传感器与导电滑环电连接。

进一步的，所述的机器人还包括控制系统，所述的控制系统分别与导电滑环、转向电机、偏转电机、旋转电机、偏转角度传感器a、和偏转角度传感器b、姿态传感器、角速度传感器连接。

所述的机器人具有3种运动模式，该3种运动模式分别为：

(a)摩托车机器人模式，两车轮前后排布，两平衡机构工作，姿态传感器检测支撑板向左右两侧倾斜角度、角速度信息，控制系统接收姿态传感器信号，旋转电机带动飞轮高速旋转，且两个飞轮的转向相反时，偏转电机通过同步带驱动两平衡机构以相反的方向绕各偏转轴a和偏转轴b以特定角速度偏转时，通过陀螺效应即可产生令机器人平衡的力矩，根据姿态传感器检测的支撑板的倾斜角度信号来控制两个飞轮的偏转速度。该模式具有高度的转向灵活性和高速性能；适用于对货物、负载的前后稳定性要求高的场合，适用于颠簸狭窄的路段。

(b)左右轮排布双轮机器人模式，两车轮左右同轴线排布，两平衡机构停止工作，当机器人重心与车轮轴线偏移时，支撑板发生倾斜，姿态传感器检测支撑板前后两侧倾斜角度、角速度信息，控制系统接收到的姿态传感器信号后根据倒立摆效应发出控制信号，控制信号经过导电滑环传输到两车轮控制其转速和转向，从而实现控制整辆车行进的平衡。该模式具有天然的左右稳定性，具有原地转动功能，适用于对货物、负载的前后稳定性要求高的场合；适用于宽阔的路面。

(c)汽车模式，该模式由两个或者多个机器人组成，形成四轮或者多轮的汽车形态，并且两平衡机构停止工作，转向时，控制系统通过导电滑环控制车轮行进、以及通过转向电机控制车叉带动车轮转向，实现向各个方向运行，偏转角度传感器a检测机器人转向角度，并反馈到控制系统，实现准确转向，实现两个或者多个组合的机器人以特定的速度运行和转向。该模式稳定性强，具有向各个方向运动功能，适用于宽阔路面对较多货物的运载场合。

本实用新型的有益效果为：结构简单、设计合理、实用性强，该机器人通过行进机构驱动机器人转动，并通过转向机构实现机器人转向，并通过平衡机构、以及传动机构实现机器人的平衡，并且该机器人具有3种运动模式，可根据不同需求使用不同运动模式，使用范围广泛。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图一；

图2为本实用新型的结构示意图二；

图3为本实用新型行进机构的结构示意图；

图4为本实用新型转向机构的结构示意图；

图5为本实用新型传动机构的结构示意图；

图6为本实用新型平衡机构的结构示意图；

图7为本实用新型其中一平衡机构的截面示意图；

图8为本实用新型另一平衡机构的截面示意图；

图中，1-支撑板，2-转向机构，3-行进机构，4-传动机构，5-平衡机构，20-连接板，21- 转向电机，22-车叉转轴，23-转向齿轮a，24-转向齿轮b，25-偏转角度传感器a，26-车叉轴承座，31-车叉，32-车轮，33-导电滑环，34-减震器，41-偏转电机，42-偏转电机固定架，43- 联轴器，44-带轮转轴a，45-同步带轮a，46-固定座a，47-固定座b，48-同步带，50-保护罩， 51-飞轮，52-旋转电机，53-旋转电机安装架，54-带轮转轴b，55-偏转轴a，56-固定座c，57- 固定座d，58-同步带轮b，59-齿轮轴，60-偏转轴b，61-带轮转轴c，62-齿轮a，63-齿轮b， 64-固定座e，65-同步带轮c，66-偏转角度传感器b。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：

如图1、图2所示，一种具有多种运动模式的两轮机器人，包括支撑板1、以及设置在支撑板1上的两个行进机构3、两个转向机构2、两个平衡机构5、传动机构4，两个所述的行进机构3、以及转向机构2对称设置在支撑板1的左右两端，其中，两个所述的转向机构2 分别与两个行进机构3传动连接，从而控制行进机构3实现转向动作，两个所述的平衡机构 5与传动机构4设置在支撑板1中央位置，并且该两个所述的平衡机构5设置在传动机构4 的左右两侧，并且所述的传动机构4分别与两所述的平衡机构5传动连接，从而通过传动机构4驱动两所述的平衡机构5以相反的方向旋转，从而实现机器人的动态平衡。

进一步的，如图3、图4所示，所述的转向机构2包括连接板20、转向电机21、车叉转轴22、转向齿轮a232、转向齿轮b24，所述的连接板20设置在支撑板1上，所述的转向电机21设置在连接板20上，所述转向电机21的电机轴上设置有转向齿轮a23，所述的转向齿轮a23与设置在车叉转轴22上的转向齿轮b24传动连接，所述的车叉转轴22通过车叉轴承座26设置在连接板20上，所述车叉转轴22的下端向下延伸并与行进机构3固定连接；通过转向电机21驱动转向齿轮a23旋转，从而驱动转向齿轮b24带动车叉转轴22转动，从而控制行进机构3实现转向动作，所述的转向电机21上端还设置有用于检测行进机构3转向角度的偏转角度传感器a25，所述的偏转角度传感器a25与转向电机21电连接。

进一步的，如图3、图4所示，所述的行进机构3包括车叉31、车轮32、导电滑环33、轮毂电机，所述的车叉31与车叉转轴22固定连接，所述车叉31下端设置有可相对车叉31 转动的车轮32，所述车轮32内置有轮毂电机，所述的轮毂电机与设置在连接板20上的导电滑环33电连接，从而通过轮毂电机驱动车轮32转动，所述的车轮32与车叉31之间还设置有减震器34，其中，所述的导电滑环33包括内环和外环，所述的内环和外环电连接，并且所述的外环固定，内环可在外环内旋转。

如图5所示，所述的传动机构4包括偏转电机41、偏转电机固定架42、联轴器43、带轮转轴a44、固定座a46，所述的偏转电机41通过偏转电机固定架42安装在固定座a46上，所述的偏转电机41通过联轴器43与带轮转轴a44的一端传动连接，所述带轮转轴a44的另一端穿过固定座a46，并通过带轮轴承a设置在固定座b47上，所述的带轮转轴a44上还设置有同步带轮a45。

进一步的，如图6所示，两所述的平衡机构5设置在传动机构4的两侧，并与传动机构 4传动连接，其中，平衡机构5的数量不限于2个，可根据实际需要设置，所述的平衡机构5 包括保护罩50、飞轮51、旋转电机52、旋转电机安装架53，所述保护罩50由上保护壳和下保护壳组成，所述的上保护壳和下保护壳之间形成一用于容纳飞轮51的容置腔，所述的旋转电机52通过旋转电机安装架53设置在保护罩50的上端，并与放置于保护罩50的容置腔内的飞轮51传动连接，从而通过旋转电机52驱动飞轮51在保护罩50内旋转，其中，所述的旋转电机52为无刷电机；

如图6、图7所示，其中一平衡机构5的保护罩50外侧壁上还对称设置有带轮转轴b54、偏转轴a55，所述的带轮转轴b54的另一端通过固定座c56设置在支撑板1上，所述的带轮转轴b54上设置有同步带轮b58，所述的同步带轮b58通过同步带48与同步带轮a45传动连接，所述的偏转轴a55与设置在固定座d57上的偏转角度传感器b66连接，从而通过偏转角度传感器b66实时检测飞轮51的偏转角度，所述的固定座d57设置在支撑板1上；

如图6、图8所示，另一平衡机构的保护罩外侧壁上还对称有齿轮轴59、偏转轴b60，所述的齿轮轴59的另一端设置在固定座a46上，所述的齿轮轴59上设置有齿轮a62，所述的齿轮a62与设置在带轮转轴c61上的齿轮b63齿合，所述的带轮转轴c61的两端分别与固定座a46和固定座b47连接，所述的带轮转轴c61上还设置有同步带轮c65，所述的同步带轮c65通过同步带48与同步带轮a45传动连接，所述的偏转轴b60通过固定座e64设置在支撑板1上。

通过旋转电机52驱动飞轮51高速旋转，且两飞轮51的旋转方向相反，偏转电机41通过同步带48驱动两平衡机构5以相反的方向绕偏转轴a55和偏转轴b60以特定的角速度偏转，通过陀螺效应从而产生平衡力矩，从而实现双轮机器人的动态平衡。

进一步的，所述的支撑板1上还设置有用于检测所述支撑板1倾斜角度、倾斜角速度的姿态传感器。

进一步的，所述的支撑板1上还设置有用于检测车轮32转速的角速度传感器，所述的角速度传感器与导电滑环33连接。

进一步的，所述的机器人还包括控制系统，所述的控制系统分别与导电滑环33、转向电机21、偏转电机41、旋转电机52、偏转角度传感器a25、偏转角度传感器b66、姿态传感器、角速度传感器电连接。

本实用新型提供的机器人具有3种运动模式，该3种运动模式分别为摩托车机器人模式、左右轮排布双轮机器人模式、汽车模式。

在摩托车机器人模式，两车轮32前后布置，且两平衡机构5工作，姿态传感器检测支撑板1向左右两侧的倾斜角度，角速度信息并传输给控制系统，控制系统接收姿态传感器信号后，控制52带动飞轮51高速旋转，且两个飞轮51的转向相反时，偏转电机41通过同步带 48驱动两平衡机构5以相反的方向绕各偏转轴a55和偏转轴b60以特定角速度偏转，通过陀螺效应即可产生令机器人平衡的力矩，根据姿态传感器检测的支撑板1的倾斜角度信号来控制两个飞轮51的偏转速度。该模式高度具有高度的转向灵活性和高速性能；适用于对货物、负载的前后稳定性要求高的场合，适用于颠簸狭窄的路段。

在左右轮排布双轮机器人模式，两车轮32左右同轴线排布，两平衡机构5停止工作，当机器人重心与车轮轴线偏移时，支撑板1发生倾斜，姿态传感器检测支撑板1前后两侧倾斜角度、角速度信息，控制系统接收姿态传感器信号，通过导电滑环33控制两车轮32正反转，实现对支撑板1行进的平衡并实现机器人在原地转向功能，该模式具有天然的左右稳定性，具有原地转动功能，适用于对货物、负载的前后稳定性要求高的场合；适用于宽阔的路面。

在汽车模式，该模式由两个或者多个双轮机器人组成，形成四轮或者多轮的汽车形态，并且平衡机构5停止工作，控制系统通过导电滑环33控制车轮32行进、以及通过转向电机 21控制车叉31带动车轮32转向，实现向各个方向运行，偏转角度传感器a25检测机器人转向角度，并反馈到控制系统，实现准确转向，实现两个或者多个组合的机器人以特定的速度运行和转向。该模式稳定性强，具有向各个方向运动功能，适用于宽阔路面对较多货物的运载场合。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理和最佳实施例，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。